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PLANO DE AULA N.º 25 Física 10.º ano

Subdomínio: Energia e MovimentosConteúdos programáticos— Sistema, fronteira e vizinhança; sistema isolado; sistema termodinâmico.— Temperatura, equilíbrio térmico e escalas de temperatura.

Objetivo geral (metas curriculares) Descritores (metas curriculares)Compreender os processos e mecanismos de transferências de energia entre sistemas termodinâmicos, interpretando-os com base na Primeira e na Segunda Leis da Termodinâmica.

3.1 Distinguir sistema, fronteira e vizinhança e definir sistema isolado.3.2 Identificar um sistema termodinâmico como aquele em que se tem em conta a sua energia interna.Indicar que a temperatura é uma propriedade que determina se um sistema está ou não em equilíbrio térmico com outros e que o aumento de temperatura de um sistema implica, em geral, um aumento da energia cinética das suas partículas.3.3 Indicar que as situações de equilíbrio térmico permitem estabelecer escalas de temperatura, aplicando a escala de temperatura Celsius.3.4 Relacionar a escala de Celsius com a escala de Kelvin (escala de temperatura termodinâmica) e efetuar conversões de temperatura em graus Celsius e kelvin.

Sumário RecursosSistema, fronteira e vizinhança; sistema isolado; sistema termodinâmico Temperatura, equilíbrio térmico e escalas de temperatura.Relação entre escala de Celsius e a escala absoluta.Resolução de exercícios de conversões de temperatura em graus Celsius e kelvin.

Manual de Física (Livromédia).

Estratégias e atividades— Trabalho em grande grupo/turma: Apresentar opiniões sobre os temas em discussão;Análise das situações apresentadas nas figuras 2, 3, 4 e 5;Análise da resolução proposta nos exercícios resolvidos 1: «Construção de uma escala de temperaturas» e 2: «Conversão de unidades de temperatura entre as escalas Celsius e Kelvin».

— Trabalho em pequeno grupo: Resolução de exercícios.

Desenvolvimento da aula Em grande grupo:

— Explorar a imagem da figura 1 para discutir com os alunos os conceitos de: o Sistema;o Fronteira;o Vizinhança.

+ Física • Física A • 10.o ano • © Santillana 1

Apresentar exemplos de situações do dia a dia que possam constituir objeto de estudo e identificar o sistema, a fronteira e a vizinhança.

Com base nos exemplos apresentados nas figuras 2, 3 e 4 discutir o significado de:

o Sistema aberto;o Sistema fechado;o Sistema isolado.

Da discussão deve resultar a:— Distinção de sistema, fronteira e vizinhança;— Definição de sistema isolado; — Noção de que num sistema real podem ocorrer trocas de energia e de matéria e este ser classificado como isolado por estas poderem ser desprezáveis (quantidades não mensuráveis); — Apresentação do exemplo da garrafa térmica.

Com base na figura 3 discutir o significado de:o Transferência de energia;o Transformação de energia;o Fonte de energia;o Recetor de energia;o Sentido em que ocorre a transferência de energia;o Universo; o Lei da Conservação da Energia.

Explorar com os alunos outros sistemas onde ocorram transferências e transformações de energia (lâmpada acesa, máquina elétrica, etc.). Fazer esquemas no quadro que evidenciem as transferências de energia.

Relembrar o conceito de energia interna abordado no subdomínio 1 para introduzir o conceito de sistema termodinâmico.

Explorar a situação apresentada na figura 4, que descreve a experiência sugerida por John Locke, em 1690, discutindo os seguintes tópicos:o Temperaturas iniciais das mãos;o Sentido das transferências de energia que ocorrem entre as mãos e a água;o Identificação das fontes e dos recetores;o Temperaturas finais das mãos/sistema;o Significado de equilíbrio térmico;o Lei Zero da Termodinâmica;o Utilização do termómetro como o instrumento de medição da temperatura.

Recordar, à luz do modelo cinético-corpuscular, que a energia cinética média das partículas é uma parcela que contribui para a energia interna; relacionar a variação da temperatura do sistema com o aumento/diminuição da energia cinética média.

Analisar a figura 5 e recordar que a energia cinética média das partículas é uma parcela que contribui para a energia interna; relacionar a variação da temperatura do sistema com o aumento/diminuição da energia cinética.

Discutir com os alunos a construção de uma escala termométrica, a partir do texto de apoio apresentado nas sugestões metodológicas no manual + Física.

a) A identificação do parâmetro termométrico e conhecimento da sua dependência com a temperatura. Quando este parâmetro se mantém constante significa que o sistema está em equilíbrio térmico.b) A escolha do sistema (termodinamicamente estável) para estabelecer a escala.c) A relação dos valores de temperatura (TA e TB) com a escala de Celsius tendo em conta o sistema termodinâmico escolhido (gelo fundente e água em ebulição).

Analisar a resolução do exercício resolvido 1: «Construção de uma escala de temperaturas». Discutir a proposta de resolução apresentada evidenciando o processo de raciocínio que foi adotado.


Analisar o gráfico da figura 9 para discutir o significado do zero Kelvin e a escala da temperatura absoluta.

Referir que:— Kelvin (K) é unidade SI de temperatura;— Escala absoluta só tem valores positivos-

Apresentar a expressão matemática que relaciona temperatura expressa em graus Celsius e em kelvin.

Analisar a resolução do exercício resolvido 2: «Conversão de unidades de temperatura entre as escalas Celsius e Kelvin», reforçando a ideia: a unidade na escala Kelvin é igual à unidade na escala Celsius, então ∆θ (° C )=∆T (K ).

Trabalho em pequeno grupo:— Resolução dos exercícios «Avaliar conhecimento» (páginas 156-157) do manual.

AvaliaçãoRegistos nas grelhas de observação do desempenho dos alunos:— Na resolução dos exercícios; — No contributo para as discussões na aula.

Concluir a resolução dos exercícios das páginas 156-157.

Observações



Subdomínio: Energia e MovimentosConteúdos programáticos— Calor como medida de transferência de energia entre sistemas a diferentes temperaturas.— Experiências de Joule e de Thompson.


3.6 Identificar calor como a energia transferida espontaneamente entre sistemas a diferentes temperaturas.3.7 Descrever as experiências de Thompson e de Joule identificando o seu contributo para o reconhecimento de que o calor é energia.

Sumário RecursosCalor como medida de transferência de energia entre sistemas a diferentes temperaturas.O contributo de Thompson e de Joule para a interpretação do conceito de calor.


Demonstração experimental:— Material necessário:1 tubo de cartão com 40 cm;esferas de chumbo;2 rolhas de cortiça;1 termómetro.

Estratégias e atividades— Trabalho em grande grupo/turma: Apresentar opiniões sobre os temas em discussão;Análise das situações apresentadas nas figuras 11 e 12;Análise da resolução proposta nos exercícios resolvidos 3: «Descrição da experiência de Tompson» e 4: «Aquecimento de água por realização de trabalho»;Demonstração experimental.

— Trabalho em pequeno grupo: Resolução de exercícios.

Desenvolvimento da aulaEm grande grupo:

Resolver/corrigir no quadro os exercícios propostos para trabalho de casa, solicitando a participação dos alunos.

Introduzir o conceito de calor, discutindo com os alunos as situações apresentadas nas figuras 11 e 12 do manual e discutir os tópicos:

o Transferências de energia como calor;o Relação das sensações de frio e calor com os processos de transferência de

energia como calor. Apresentar o conceito de calor e a expressão matemática que permite determinar o

valor da energia transferida como calor, indicando o significado de cada uma das grandezas que aparecem na expressão.

Interpretar a expressão E=mc∆T .

Referir que nem sempre o calor foi considerado como energia. Na tradição alquimista, o calor era um fluido elástico (calórico). Referir que houve cientistas que realizaram experiências que contribuíram para compreender o conceito de calor — Thomspon e Joule.

Analisar e discutir a proposta de resolução do exercício resolvido 3: «Descrição da experiência de Thompson», enfatizando:

o A descrição da experiência de Thompson;o O contributo da experiência para o reconhecimento de que o calor é energia.


Explorar a descrição da experiência de Joule focando:o A determinação do trabalho realizado sobre o sistema água devido à queda das

massas;o O aumento da energia interna da água devido ao aquecimento desta;o A determinação da quantidade de calor absorvido pela água;o A equivalência trabalho-calor;o O contributo de Joule para o reconhecimento de que o calor é energia.

. Fazer a demonstração experimental descrita no manual (aumento da temperatura do

sistema como resultado do trabalho realizado sobre ele.o Material necessário: 1 tubo de cartão com 40 cm, esferas de chumbo, 2 rolhas

de cortiça, 1 termómetro;o Procedimento: medir a massa das esferas, medir a altura da coluna de ar no

interior do tubo, medir a temperatura do ar contido no interior do tubo, calcular o trabalho realizado pelo peso das esferas, concluir quanto à variação de energia interna.

Em pequeno grupo: Resolver exercícios propostos no «Avaliar conhecimentos» das páginas 163-165.

AvaliaçãoRegistos nas grelhas de observação do desempenho dos alunos:— Na resolução dos exercícios (quadro);— No contributo para as discussões na aula.

Concluir a resolução dos exercícios das páginas 163-165.

Observações



Subdomínio: Energia e MovimentosConteúdos programáticos— Radiação e irradiância.


3.8 Distinguir, na transferência de energia por calor, a radiação — transferência de energia através da propagação de luz, sem haver contacto entre os sistemas — da condução e da convecção que exigem contacto entre sistemas.3.9 Indicar que todos os corpos emitem radiação e que à temperatura ambiente emitem predominantemente no infravermelho, dando exemplos de aplicação desta característica (sensores de infravermelhos, visão noturna, termómetros de infravermelhos, etc.).3.10 Indicar que todos os corpos absorvem radiação e que a radiação visível é absorvida totalmente pelas superfícies pretas.3.11 Associar a irradiância de um corpo à energia da radiação emitida por unidade de tempo e por unidade de área.

Sumário RecursosRadiação eletromagnética.A radiação eletromagnética emitida por uma fonte térmica: — Radiação térmica;— Irradiância.


Estratégias e atividades— Trabalho em grande grupo/turma: Análise e discussão de situações apresentadas no manual.— Em pequeno grupo:Resolução de exercícios.


Analisar a figura 17, da página 152, que ilustra diferentes processos para aquecer água e discutir:— O aumento da temperatura da água deve-se à absorção de radiação eletromagnética;— A temperatura final do sistema dependerá do intervalo de tempo de exposição e da energia que cada uma das fontes poderá transmitir;

Analisar o espetro eletromagnético da figura 19:— Descrever o espetro.— Estabelecer as gamas de radiação do espetro eletromagnético do ultravioleta, do visível e do infravermelho, em termos de frequência.

Recordar, com apoio de representações esquemáticas, simulações e gráficos, os conceitos associados a ondas periódicas:


— Ondas transversais;— Ondas longitudinais;— Comprimento de onda;— Frequência;— Período;— Amplitude;— Velocidade de propagação. Analisar a figura 20 e discutir se é possível existirem fontes térmicas em toda a gama

do espetro eletromagnético. Reforçar que uma fonte térmica, à temperatura ambiente, emite na região espetral do

infravermelho.

Introduzir a discussão em torno do significado de irradiância, alertando para o facto de a energia absorvida por um sistema poder ser utilizada em diferentes processos. Relacionar com o que foi estudado na Química do 10.º ano. Neste caso, discute-se um processo de transferência de energia entre sistemas que necessariamente estão a temperaturas diferentes — por isso se fala em calor.

Mencionar que o calor por radiação na gama dos infravermelhos é aquele que contribui fundamentalmente para o aumento da energia cinética média de um sistema que a absorve.

Discutir a análise do gráfico da figura 21, salientando os seguintes aspetos:— Definir um espetro térmico;— Distinguir espetros contínuos de espetros descontínuos;— Explorar a forma da curva para diferentes temperaturas (máximos, área subtensa, comprimentos de onda emitidos, …).

Referir que a atribuição a um sistema das características de corpo negro não significa que o sistema apresenta a cor preta; o termo «corpo negro» é um modelo utilizado para interpretar a emissão/absorção de radiação por um corpo exclusivamente dependente da sua temperatura.

A propriedade que caracteriza este comportamento é a emissividade do material. Analisar os valores de emissividade apresentados na tabela da página 171,

começando por identificar a que gama espetral da radiação dizem respeito os valores indicados (T = 300 K).

Discutir alguns aspetos que justifiquem a existência de um intervalo de valores de emissividade para o mesmo material (por exemplo, diferentes composições dos materiais).

Apresentar a expressão matemática que define irradiância e interpretar o seu significado e respetiva unidade.

Analisar a situação descrita (figura 23) salientando que a cor resultante de um emissor térmico (pedaço de ferro aquecido) deve-se à sobreposição das radiações emitidas, na região do visível, pelo corpo a essa temperatura. À medida que a temperatura aumenta, o espetro de emissão desloca-se para a região espetral de frequências mais elevadas. O corpo aparenta ter a cor branca, porque ocorre a sobreposição do vermelho, do verde e do azul (três cores primárias de ótica).

Explorar os exemplos de aplicação de termografia de infravermelho, da página 173. Discutir em que condições é possível observar o contraste (corpos que não se

encontram em equilíbrio térmico). Analisar e discutir o exercício resolvido 5: «Aplicações das fontes de radiação

térmica».

— Em pequeno grupo: Resolução dos exercícios 1 a 12 do «Avaliar conhecimentos» das páginas 181-183.

AvaliaçãoRegistos nas grelhas de observação do desempenho dos alunos:— No contributo para as discussões na aula;— Na resolução dos exercícios.

Concluir a resolução dos exercícios1 a 12 das páginas 181-183.


Observações


Subdomínio: Energia e MovimentosConteúdos programáticos— Radiação e irradiância.


3.12 Identificar uma célula fotovoltaica como um dispositivo que aproveita a energia da luz solar para criar diretamente uma diferença de potencial elétrico nos seus terminais, produzindo uma corrente elétrica contínua.3.13 Dimensionar a área de um sistema fotovoltaico conhecida a irradiância solar média no local de instalação, o número médio de horas de luz solar por dia, o rendimento e a potência a debitar.

Sumário RecursosIrradiância solar e efeito fotovoltaico.Resolução de exercícios.


Material necessário às simulações:— Células fotovoltaicas;— Foco.

Estratégias e atividades— Trabalho em grande grupo/turma: Análise e discussão de situações apresentadas no manual, vídeo/simulações.— Em pequeno grupo:Resolução de exercícios.


Fazer a correção dos exercícios propostos para casa, no quadro. Discutir o significado do valor 1367 W m-2 e como varia à medida que nos

aproximamos da superfície do Planeta, com o apoio dos esquemas das figuras 24 e 25.

Introduzir o termo fotovoltaico, levantando questões que promovam a discussão dos seguintes tópicos:

o O problema energético e a necessidade de recorrer a fontes renováveis de energia;

o As vantagens e desvantagens;o As condições verificadas em Portugal que favorecem o recurso à energia

fotovoltaica;o O recurso à utilização da radiação solar (irradiância solar média).

Recorrer a kits experimentais, carrinhos, candeeiros, lanternas, máquinas de calcular, para demonstrar o fenómeno fotovoltaico.

Interpretar o efeito fotovoltaico, recorrendo a um vídeo/animação/simulação, ou às imagens/textos do manual (figuras 30 e 31), e explicar como se produz energia elétrica numa célula fotovoltaica, referindo os seguintes tópicos:o O efeito fotovoltaico ocorre em semicondutores; o Formação do par buraco-eletrão;o Dopagem e semicondutores;o Junção p-n;


o Zona de depleção.

Analisar as curvas características de uma célula fotovoltaica (figura 32) e discutir:o O que representa cada um dos gráficos;o O significado dos pontos assinalados nos gráficos;o A variação de potência elétrica debitada pela célula com a diferença de potencial;o O significado de eficiência de conversão de energia térmica em energia elétrica por

uma célula fotovoltaica. Analisar as curvas características de uma célula fotovoltaica para diferentes horas do

dia (figura 32) e:o Discutir o facto de as curvas serem diferentes para diferentes horas do dia;o Relacionar cada uma das curvas com a irradiância solar média que se verifica a cada

uma das horas;o Discutir fatores que condicionam a eficiência de uma célula. Distinguir o efeito fotovoltaico do efeito fotoelétrico, destacando:o A diferença de materiais envolvidos;o No efeito fotoelétrico há remoção de eletrões da superfície do metal;o No efeito fotovoltaico não há remoção de eletrões.

Fazer a simulação da figura 34, utilizando uma lanterna e células fotovoltaicas ligadas a uma lâmpada para verificar a alteração na luminosidade da lâmpada à medida que se altera a posição da lanterna. No decorrer da simulação:

— Relacionar a irradiância solar média com a inclinação dos raios solares;— Discutir como obter um máximo de eficiência a partir de um painel fotovoltaico;— Localização;— Irradiância solar média;— Painéis fixos ou móveis;— …

Discutir a necessidade de dimensionar um painel fotovoltaico, tendo em conta as necessidades energéticas e a irradiância do local de instalação.

Justificar a necessidade de associar células fotovoltaicas em série e em paralelo. Recorrer a células fotovoltaicas e fazer as montagens da figura 35 para demonstrar a

diferença de uma utilização de células em série e em paralelo, tendo em conta o fim a que se destina o painel fotovoltaico.

Analisar e discutir o exercício resolvido 6: «Dimensionamento de um painel fotovoltaico», alertando para a metodologia de resolução.

Em pequeno grupo:Resolução dos exercícios 13 a 16 do «Avaliar conhecimentos», das páginas 181-183.


Observações



Subdomínio: Energia e MovimentosConteúdos programáticos— Mecanismos de transferência de energia por calor em sólidos e fluidos: condução e convecção.— Condução térmica e condutividade térmica.


3.14 Distinguir os mecanismos de condução e de convecção.3.15 Associar a condutividade térmica à taxa temporal de transferência de energia como calor por condução, distinguindo materiais bons e maus condutores do calor.

Sumário RecursosCondução e convecção térmica.Condução térmica e condutividade térmica: — Materiais condutores e isoladores de calor;— Condutividade térmica.


Material necessário à realização das experiências:

Barra de metal;Suporte;Pioneses;Cera;Vela;Tubo de vidro fechado;Água;Corante/cristal.

Estratégias e atividades— Trabalho em grande grupo /turma: Análise e discussão de situações apresentadas no manual;Demonstrações experimentais dos fenómenos condução e convecção térmica — Em pequeno grupo:Resolução de exercícios.


Introduzir os conceitos de condução e convecção térmica, realizando as experiências:o Experiência 1 — condução térmica — fixar com cera pioneses em barras de

diferentes materiais e aquecer uma das extremidades da barra;o Experiência 2 — convecção térmica — encher completamente um tubo em U

com água; colocar um cristal de permanganato de potássio ou um corante no topo deste e aquecer (com a mão ou com uma vela), uma das extremidades inferiores do tubo.

Discutir com os alunos as observações efetuadas. Levar, para a sala de aula, pequenos aparelhos onde se evidenciem fenómenos de

condução e/ou convecção térmicas, como candeeiros de lava ou outros. Interpretar, com base nas figuras 36 e 37, os modelos de mecanismos de condução e

de convecção a nível microscópico. Clarificar quais são as características do fluido, como viscosidade, condutividade

térmica e o tipo de aquecimento, que determinam o mecanismo de transferência de energia como calor, apresentando o exemplo do aquecimento de igual volume de mel e água.

Explorar a formação das correntes verticais de convecção criadas no interior de fluido em contacto com uma fonte de aquecimento (figura 38).

Discutir a importância da localização da fonte de aquecimento: Seria possível a formação de correntes de convecção verticais se a fonte de aquecimento fosse colocada à superfície do líquido?


Interpretar as diversas situações práticas apresentadas no quadro das páginas 185 e 186, sobre os processos de aquecimento e arrefecimento.

Esclarecer que a situação de aquecimento do ar de uma sala com aquecedor é interpretada considerando um aquecedor de resistência elétrica. No caso de ter acoplado uma ventoinha ou sistemas de ar condicionado, o transporte de energia como calor faz-se predominantemente pelo movimento forçado da massa de ar e não por formação de correntes de convecção verticais (é por isso que os aparelhos de ar condicionado podem ser colocados junto aos tetos).

Apresentar situações do quotidiano cujos fenómenos são passíveis de serem interpretados com base na propriedade condutividade térmica:— Utilização de materiais isoladores na construção civil;— Utilização de metais no fabrico de utensílios de cozinha;— Sensação de «quente» e «frio»;—Utilização de material de proteção nas mãos, quando manuseamos materiais sujeitos a aquecimento ou arrefecimento.

Relacionar estes fenómenos com a rapidez com que a energia se transfere. Definir taxa temporal de transferência de energia. Explorar a experiência representada na figura 39, para discutir os parâmetros que

influenciam a rapidez com que se transfere a energia. Realçar que a experiência tem de ser realizada mantendo sempre a diferença de temperatura entre as extremidades da barra, o que se consegue colocando água em ebulição (+100 °C) e em fusão (+0 °C).

Interpretar a definição de condutividade térmica apresentada. Interpretar os fenómenos referidos no texto, utilizando a informação constante na

tabela e o conhecimento sobre condutividade térmica. Solicitar aos alunos a apresentação de exemplos que conheçam, que possam ser

interpretados com esta propriedade térmica. Assegurar que os alunos compreendem o objetivo geral da atividade de modo que

possam envolver-se na sua planificação e, após discussão e acerto, na sua realização.

Analisar e discutir o exercício resolvido 7: «Parâmetros que determinam a taxa de transferência de energia por condução», alertando para:— A exploração dos dados constantes na tabela;— As unidades em que vem expressa a condutividade térmica;— A expressão que associa a taxa temporal de energia e a condutividade térmica;— A metodologia de resolução.

Em pequeno grupo: Resolução dos exercícios do «Avaliar conhecimentos» da página 187.


Preparar a atividade laboratorial 3.1 Radiação e potência elétrica de um painel fotovoltaico.

Observações



Subdomínio: Energia e MovimentosConteúdos programáticos— Radiação e irradiância.— Efeito fotovoltaico.AL3.1 Radiação e potência elétrica de um painel fotovoltaico.

Objetivo geral (metas curriculares) Descritores (metas curriculares) Investigar a influência da irradiância e da

diferença de potencial elétrico no rendimento de um painel fotovoltaico.

Metas específicas da atividade laboratorial Associar a conversão fotovoltaica à

transferência de energia da luz solar para um painel fotovoltaico que se manifesta no aparecimento de uma diferença de potencial elétrico nos seus terminais.

Montar um circuito elétrico e efetuar medições de diferença de potencial elétrico e de corrente elétrica.

Determinar a potência elétrica fornecida por um painel fotovoltaico.

Investigar o efeito da variação da irradiância na potência do painel, concluindo qual é a melhor orientação de um painel fotovoltaico de modo a maximizar a sua potência.

Construir e interpretar o gráfico da potência elétrica em função da diferença de potencial elétrico nos terminais de um painel fotovoltaico, determinando a diferença de potencial elétrico que otimiza o seu rendimento.

Sumário RecursosAL3.1 Radiação e potência elétrica de um painel fotovoltaico. Manual de Física

(Livromédia).

Material necessário à realização da atividade laboratorial 3.1:

Painel fotovoltaico;Candeeiro;Amperímetro e voltímetro;Reóstato;Interruptor;Fios de ligação;Filtros;Régua e transferidor.

Estratégias e atividades— Trabalho em grande grupo:Discussão das respostas às questões da parte «Preparação da atividade laboratorial».

— Trabalho em pequeno grupo:Cada grupo tem na bancada o material necessário à montagem experimental e executa a experiência fazendo as medições que permitam preencher a tabela 1, da página 214.

— Trabalho individual: Relatório da atividade laboratorial com resposta às questões «Análise e discussão da atividade laboratorial».

Desenvolvimento da aulaDiscussão alargada à turma:

Na primeira parte da aula serão discutidas as respostas da parte «Preparação da atividade laboratorial», que os alunos trabalharam em casa.


Trabalho em pequeno grupo: Os alunos executam a experiência planeada, fazem os registos das medições e

completam as tabelas 1 da página 214. O professor acompanha o trabalho dos alunos, avaliando o desempenho destes e levantando questões.

Trabalho individual: Os alunos respondem às questões da parte «Análise e discussão da atividade

laboratorial». Elaborar o relatório da atividade prática (registo de medições e resposta às questões

«Análise e discussão da atividade laboratorial»).

AvaliaçãoRelatório da atividade laboratorial:— Tabelas com os registos de medições;— Resposta às questões de análise e discussão da atividade laboratorial;— Execução da atividade;— Resposta às questões da parte «Análise e discussão da atividade laboratorial».

Observações



Subdomínio: Energia e MovimentosConteúdos programáticosCapacidade térmica mássica.


3.16 Interpretar o significado de capacidade térmica mássica, aplicando-o na explicação de fenómenos do quotidiano.

Sumário RecursosCapacidade térmica mássica e capacidade térmica.Resolução de exercícios.


Estratégias e atividades— Trabalho em grande grupo:Análise dos fenómenos e situações apresentados no manual de Física para introdução dos conceitos capacidade térmica e capacidade térmica mássica.- Trabalho em pequeno grupo:Resolução dos exercícios do «Avaliar conhecimentos» das páginas 194-196.

Desenvolvimento da aulaTrabalho em grande grupo:

Apresentar situações do quotidiano cujos fenómenos são passíveis de serem interpretados com base na propriedade capacidade térmica mássica:

— Ao fornecer a mesma energia a quantidades iguais de água e azeite, estes sofrem diferentes variações de temperatura;— A utilização de utensílios de barro (na cozinha tradicional portuguesa) em lugar dos de metal permite um processo mais lento na cozedura dos alimentos/um processo mais lento de arrefecimento dos alimentos.

Relacionar estes fenómenos com a quantidade de energia cedida/recebida para diminuir/aumentar a temperatura.

Explorar a experiência representada na figura 40 da página 191 e discutir os parâmetros que influenciam a quantidade de energia cedida/recebida para diminuir/aumentar a temperatura.

Analisar as unidades em que cada uma das grandezas capacidade térmica e capacidade térmica mássica se exprimem. Discutir significado físico de cada uma das grandezas, apresentando exemplos de corpos do mesmo material com diferentes massas. O valor da capacidade térmica mássica do material é o mesmo, mas o da capacidade térmica não.

Analisar e discutir os fenómenos do quotidiano, apresentados no manual (figura 41 e 42 da páginas 192 e 193), aplicando o conceito de capacidade térmica mássica na sua explicação.

Analisar e discutir a resolução do exercício resolvido 8: «Aplicação do conceito de capacidade térmica mássica», da página 193.

Trabalho em grande grupo: Resolução dos exercícios do «Avaliar conhecimentos» propostos nas páginas 194-

195.

AvaliaçãoRegisto nas grelhas de observação/verificação do desempenho dos alunos na realização dos

Conclusão da resolução dos exercícios das páginas 196.


exercícios e da participação na aula na discussão alargada à turma.

Observações



Subdomínio: Energia e MovimentosConteúdos programáticosVariação de entalpia de fusão e de vaporização.

Objetivo geral (metas curriculares) Descritores (metas curriculares)Compreender os processos e mecanismos de transferências de energia entre sistemas termodinâmicos, interpretando-os com base na Primeira e na Segunda Leis da Termodinâmica

3.17 Interpretar o conceito de variação de entalpias de fusão e de vaporização.3.18 Determinar a variação de energia interna de um sistema num aquecimento ou arrefecimento, aplicando os conceitos de capacidade térmica mássica e de variação de entalpia (de fusão ou de vaporização), interpretando o sinal dessa variação.

Sumário RecursosVariação de entalpia de fusão e de vaporização.Variação e energia interna num processo de aquecimento/arrefecimento.Resolução de exercícios.


- Simulações:https://phet.colorado.edu/pt/simulation/energy-forms-and-changes

Estratégias e atividades— Trabalho em grande grupo:Análise e discussão das situações/simulação apresentadas para abordagens dos conceitos.— Trabalho em pequeno grupo:Resolução de exercícios do manual.


Rever os conceitos de mudança de estado físico, temperatura de fusão e de ebulição:— fazer um esquema no quadro.

Apresentar a situação de um cubo de gelo, à temperatura inicial de -6 °C, a sofrer um processo de aquecimento até atingir os 100 °C ou apresentar a simulação https://phet.colorado.edu/pt/simulation/energy-forms-and-changes.

Levantar questões que promovam a abordagem dos seguintes tópicos:— Absorção de energia como calor para aumentar a temperatura de -6 ºC até aos 0 ºC— Mudança de estado físico sólido para líquido. Temperatura mantém-se constante e igual a 0 ºC. O sistema está a absorver energia. Há aumento da energia interna. Coexistem as duas fases, sólida e líquida.— A temperatura aumenta novamente até atingir 100 ºC. Absorção de energia como calor para aumentar a temperatura de 0 ºC a 100 ºC.— Mudança de estado físico vaporização. A temperatura mantém-se constante e igual a 100 ºC. Coexistem as fases, líquida e gasosa.— Clarificar que a mudança de estado físico de líquido para gasoso se designa por vaporização e distinguir o fenómeno vaporização de evaporação.

Explicar que na mudança de fase, a energia absorvida pelo sistema é utilizada na rutura de ligações, na variação de volume, e não para aumentar a energia cinética média das partículas.

Referir que esta energia transferida como calor se designa por variação de entalpia ou


https://phet.colorado.edu/pt/simulation/energy-forms-and-changes




calor latente. Apresentar as definições de entalpia de fusão e de vaporização.

Explorar o gráfico da figura 43 da página 197, evidenciando:— As regiões do gráfico que traduzem a variação da temperatura em função da energia fornecida durante a mudança de estado;— As regiões do gráfico em que ocorre a variação de temperatura;— Como se calcula a quantidade de energia posta em jogo em cada uma das situações;— O significado dos patamares (linhas horizontais) do gráfico;— Interpretar o modo como a temperatura varia com o aquecimento, diferenciando o fenómeno que ocorre numa mudança de estado físico.

Explorar transferências e transformações de energia de um sistema:— Dar exemplos elucidativos de processos que ocorram com aumento da energia interna do sistema (utilizando o exemplo do manual «processo de aquecimento de água de -25 °C até 100 °C» e de processos que ocorram com diminuição da energia interna do sistema.

Realçar que:— Quando a energia interna do sistema diminui, a sua variação é negativa;— Quando a energia interna do sistema aumenta, a sua variação é positiva;— O aumento/diminuição da energia interna do sistema está associado à diminuição/aumento da energia interna da vizinhança.

Identificar a fonte e a vizinhança do sistema em estudo. Analisar e discutir o exercício resolvido 9: «Aplicação dos conceitos de entalpia de

fusão e de entalpia de vaporização».

Trabalho em pequeno grupo: Resolução dos exercícios do «Avaliar conhecimentos» propostos nas páginas 200-

201.

AvaliaçãoRegisto nas grelhas de observação/verificação do desempenho dos alunos na realização dos exercícios e da participação na aula na discussão alargada à turma.

Conclusão da resolução dos exercícios do «Avaliar conhecimentos» das páginas 200-201.

Observações



Subdomínio: Energia e MovimentosConteúdos programáticosCapacidade térmica mássica.

Objetivo geral (metas curriculares) Descritores (metas curriculares) Determinar a capacidade térmica mássica de

um material.Metas específicas da atividade laboratorial Identificar transferências de energia. Estabelecer balanços energéticos em

sistemas termodinâmicos, identificando as parcelas que correspondem à energia útil e à energia dissipada.

Medir temperaturas e energias fornecidas, ao longo do tempo, num processo de aquecimento.

Construir e interpretar o gráfico da variação de temperatura de um material em função da energia fornecida, traçar a reta que melhor se ajusta aos dados experimentais e obter a sua equação.

Determinar a capacidade térmica mássica do material a partir da reta de ajuste e avaliar a exatidão do resultado a partir do erro percentual.

Sumário RecursosAL 3.2 Capacidade térmica mássica. Manual de Física

(Livromédia).

Material necessário à realização da atividade laboratorial 3.2• Blocos calorimétricos de metais diferentes;• Resistência de aquecimento (12 V; 50 W);• Cronómetro;• Balança;• Termómetro (-10 °C a 110 °C) ou sensor de temperatura;• Fonte de alimentação regulável (com voltímetro e amperímetro);Em alternativa: fonte de alimentação (0-12 V); voltímetro;Amperímetro; Reóstato;• Interruptor;• Fios de ligação;• Glicerina;• Base isoladora.

Estratégias e atividades. Trabalho em grande grupo:Discussão das respostas às questões da parte «Preparação da atividade laboratorial».

- Trabalho em pequeno grupo:Cada grupo tem na bancada o material necessário à montagem experimental e executa a experiência fazendo as medições necessárias.

- Trabalho individual: Relatório da atividade laboratorial com resposta às questões «Análise e discussão da atividade laboratorial».




Trabalho em pequeno grupo: Os alunos executam a experiência planeada, fazem os registos das medições. O

professor acompanha o trabalho dos alunos, avaliando o desempenho destes e levantando questões.





Observações



Subdomínio: Energia e MovimentosConteúdos programáticosColetores solares.Irradiância.Mecanismos de transferência de energia como calor.

Objetivo geral (metas curriculares) Descritores (metas curriculares)Compreender os processos e mecanismos de transferências de energia entre sistemas termodinâmicos, interpretando-os com base na Primeira e na Segunda Leis da Termodinâmica.Determinar a capacidade térmica mássica de um material.

3.19 Interpretar o funcionamento de um coletor solar, a partir de informação selecionada, e identificar as suas aplicações.

Sumário RecursosFuncionamento dos coletores solares.Resolução de exercícios.

Manual de Física (Livromédia).Vídeos/simulações.

Estratégias e atividades. Trabalho em grande grupo:Análise de situações apresentadas no manual de Física ou vídeos/simulações para interpretar o funcionamento de coletores solares.- Trabalho em pequeno grupo:Resolução de exercícios do «Avaliar conhecimentos» da página 204.


Correção dos exercícios do «Avaliar conhecimentos», das páginas 200-201. Analisar as figuras 45 e 46, explicando os constituintes e o funcionamento de um

coletor solar. Discutir a importância de:

— O revestimento ser preto;— Os tubos serem metálicos.

Prever o que sucederia à temperatura da água de 3 garrafas expostas ao sol (preta, branca e forrada a papel de alumínio).

Discutir o compromisso a ter entre as propriedades térmicas (condutividade térmica e capacidade térmica), as propriedades mecânicas (deformação), as propriedades químicas (reatividade com o meio ambiente) e o custo de produção.

Explorar (propondo como trabalho de grupo a apresentar oralmente) diversos tipos de coletores solares que são utilizados no dia a dia, explicando as suas diferenças em termos de funcionamento e rendimento no processo de aquecimento de águas sanitárias:— Coletores de tubo de vácuo;— Coletores planos com e sem cobertura;

Referir qual é a função do coletor solar e identificar os mecanismos de transferência de energia: condução, convecção e radiação.

Referir aplicações dos coletores solares. Analisar e discutir o exercício resolvido 10: «Funcionamento de um coletor

solar», da página 203.

Trabalho em pequeno grupo: Resolver os exercícios propostos na página 204.



Observações



Subdomínio: Energia e MovimentosConteúdos programáticosPrimeira Lei da Termodinâmica: transferência de energia e conservação e energia.Segunda Lei da Termodinâmica: degradação da energia e rendimento.Degradação da energia e rendimento.

Objetivo geral (metas curriculares) Descritores (metas curriculares)Compreender os processos e mecanismos de transferências de energia entre sistemas termodinâmicos, interpretando-os com base na Primeira e na Segunda Leis da Termodinâmica

3.20 Interpretar e aplicar a Primeira Lei da Termodinâmica.3.21 Associar a Segunda Lei da Termodinâmica ao sentido em que os processos ocorrem espontaneamente, diminuindo a energia útil.3.22 Efetuar balanços energéticos e calcular rendimentos.

Sumário RecursosPrimeira Lei da Termodinâmica: transferência de energia e conservação e energia.Segunda Lei da Termodinâmica: degradação da energia e rendimento.Degradação da energia e rendimento.

Manual de Física (Livromédia).Vídeos/simulações.

Estratégias e atividades. Trabalho em grande grupo:Análise de situações apresentados no manual de Física ou vídeos/simulações para interpretar a 1.ª e 2.ª Leis da Termodinâmica.

. Trabalho em pequeno grupo:Resolução de exercícios do «Avaliar conhecimentos», da página 201.


Apresentar a Primeira Lei da Termodinâmica como a Lei da Conservação de Energia aplicada a sistemas onde apenas se verifica a variação de energia interna.

Discutir com os alunos o significado de Uuniverso = 0, recordando o conceito de sistema e vizinhança.

Explorar a figura 48 da página 205:o Exemplos de sistemas físicos: identificação do sistema, da fronteira e da

vizinhança;o Sistemas em que ocorram variações de energia interna por transferência de

energia por calor ou pela realização de trabalho;o Justificar a atribuição do sinal (positivo ou negativo);o Discutir como varia a energia interna do sistema quando há trocas de energia

entre o sistema e vizinhança;o Reforçar que a energia interna do sistema pode variar, quer por transferência

de calor, quer pela realização e trabalho;o Reforçar que há conservação de energia.

Estabelecer a expressão que traduz a Primeira Lei da Termodinâmica e interpretar o seu significado.

Mostrar que é possível, com esta lei, descrever balanços energéticos de processo termodinâmicos. Apresentar exemplos.


Explorar a tabela das páginas 206 e 207, na qual são discutidas quatro situações, I, II, III e IV, em que a variação da energia interna do sistema gás é obtida por diferentes processos.

Estabelecer o balanço energético para cada uma das situações, aplicando a 1.ª Lei da Termodinâmica.

Explicitar os sinais (positivo ou negativo) atribuídos a W e a Q.

Introduzir os conceitos de reversibilidade e irreversibilidade, apresentando vídeos que mostrem filmes, projetados do início para o fim, onde seja possível distinguir a ordem dos acontecimentos e outros em que tal não seja possível.

Introduzir o conceito de degradação de energia, apresentando e discutindo o funcionamento da máquina térmica (figura 50, da página 209).

Associar a degradação e energia à diminuição da capacidade de um sistema a realizar trabalho à custa da variação da sua energia interna. Referir que para cada transformação há um máximo de energia interna convertível em trabalho, sendo assim definido o rendimento da máquina.

Explorar a figura 51 para explicitar a noção de entropia: grandeza física cuja variação indica o sentido da evolução de um processo.

Explicitar que os processos que ocorrem espontaneamente na Natureza ocorrem sempre num determinado sentido — o da diminuição da energia útil do Universo.

Apresentar o enunciado da Segunda Lei da Termodinâmica. Analisar e discutir o exercício resolvido 11: «Balanço energético num sistema

termodinâmico».

Trabalho em pequeno grupo: Resolução de exercícios do «Avaliar conhecimentos», da página 211.


- Conclusão da resolução de exercícios do «Avaliar conhecimentos», da página 211.

Observações



Subdomínio: Energia e MovimentosConteúdos programáticosBalanço energético num sistema termodinâmico.Primeira Lei da Termodinâmica: transferência de energia e conservação de energia.— Calor;— Variação de entalpia de fusão e de vaporização.

Objetivo geral (metas curriculares) Descritores (metas curriculares) Estabelecer balanços energéticos e

determinar a entalpia de fusão do gelo.Metas específicas da atividade laboratorial Prever a temperatura final da mistura

de duas massas de água a temperaturas diferentes e comparar com o valor obtido experimentalmente.

Medir massas e temperaturas. Estabelecer balanços energéticos em

sistemas termodinâmicos aplicando a Lei da Conservação da Energia, interpretando o sinal positivo ou negativo da variação da energia interna do sistema.

Medir a entalpia de fusão do gelo e avaliar a exatidão do resultado a partir do erro percentual.

Sumário RecursosAL 3.3 Balanço energético num sistema termodinâmico. Manual de Física

(Livromédia).

Material/equipamento para a atividade laboratorial:• Balança eletrónica; • Água;• Termómetro (-10 °C a 110 °C); • Papel absorvente ou sensor de temperatura; • Tina de vidro;• Copos de vidro; • Vareta de vidro;• Recipientes de isolamento térmico; • Pinça;• Cubos de gelo; • Material para medição e transferência de volumes.

Estratégias e atividadesDiscussão das respostas às questões da parte «Preparação da atividade laboratorial».

- Trabalho em pequeno grupo:Cada grupo tem na bancada o material necessário à montagem experimental e executa a experiência fazendo as medições que permitam preencher a tabela 1, da página 200.

- Trabalho individual: Relatório da atividade laboratorial com resposta às questões «Análise e discussão da atividade laboratorial».



Trabalho em pequeno grupo


Os alunos executam a experiência planeada, fazem os registos das medições e completam as tabelas 1, da página 219. O professor acompanha o trabalho dos alunos, avaliando o desempenho destes e levantando questões.





Observações



Subdomínio: Energia e MovimentosConteúdos programáticos

Sistema, fronteira e vizinhança; sistema isolado; sistema termodinâmico. Temperatura, equilíbrio térmico e escalas de temperatura. O calor como medida da energia transferida espontaneamente entre sistemas a

diferentes temperaturas. Radiação e irradiância. Mecanismos de transferência de energia por calor em sólidos e fluidos: condução e

convecção. Condução térmica e condutividade térmica. Capacidade térmica mássica. Variação de entalpia de fusão e de vaporização. Primeira Lei da Termodinâmica: transferências de energia e conservação da energia. Segunda Lei da Termodinâmica: degradação da energia e rendimento.


Aplicar os conceitos na resolução de problemas.

Sumário RecursosResolução de exercícios do manual + Física. Manual de Física

(Livromédia).

Estratégias e atividadesTrabalho em pequeno o grupo:— Resolução de exercícios do manual das Atividades globais (páginas 222-231).

Trabalho em grande grupo:— Correção dos exercícios no quadro.


Analisar a síntese apresentada no final do subdomínio3 Ideias-chave (páginas 220-2217), solicitando aos alunos a construção de um mapa de conceitos que relacione os conceitos abordados na unidade.

Clarificar eventuais dúvidas que surjam durante a construção desse mapa de conceitos.

Trabalho em pequeno grupo: Resolução dos exercícios propostos nas Atividades Globais. O professor acompanha a resolução, identificando as dificuldades dos alunos

e esclarecendo dúvidas. Nos exercícios que apresentem tipologias diferentes, realização de cálculos

ou produção de texto, trabalhar com os alunos metodologias de resolução. Nos exercícios que envolvem cálculos, identificar dados problema,

expressões a utilizar e cálculos a apresentar. Nos exercícios que envolvem produção do texto, avaliar se apresentam o

texto bem estruturado, se identificaram corretamente a teoria/lei a aplicar e se a resposta está contextualizada com a situação apresentada no problema.

Sempre que seja necessário, deve ser feita a correção no quadro.

Avaliação


Registo em grelhas de observação/verificação do desempenho dos alunos na participação na aula.

- Conclusão da resolução de exercícios.

Observações









Sumário RecursosResolução de exercícios do manual + Física. Manual de Física

(Livromédia).

Estratégias e atividadesTrabalho em pequeno o grupo:— Resolução de exercícios do manual das Atividades Globais(páginas 222-231).

Trabalho em grande grupo:— Correção dos exercícios no quadro.

Desenvolvimento da aulaTrabalho em pequeno grupo:

Resolução dos exercícios propostos nas Atividades Globais. O professor acompanha a resolução, identificando as dificuldades dos alunos

e esclarecendo dúvidas. Nos exercícios que apresentem tipologias diferentes, realização de cálculos

ou produção de texto, trabalhar com os alunos metodologias de resolução. Nos exercícios que envolvem cálculos, identificar dados problema,

expressões a utilizar e cálculos a apresentar. Nos exercícios que envolvem produção do texto, avaliar se apresentam o

texto bem estruturado, se identificaram corretamente a teoria/lei a aplicar e se a resposta está contextualizada com a situação apresentada no problema.

Sempre que seja necessário, deve ser feita a correção no quadro.

AvaliaçãoRegisto em grelhas de observação/verificação do desempenho dos alunos na participação na aula.

- Conclusão da resolução de exercícios.

Observações









Sumário RecursosFicha de avaliação sumativa. - Ficha de avaliação

sumativa.- Máquina de calcular gráfica.

Estratégias e atividadesTrabalho individual:— Resolução dos exercícios propostos na ficha de avaliação sumativa (Educateca).

Desenvolvimento da aula Realização da ficha de avaliação sumativa.

AvaliaçãoFicha de avaliação sumativa.

Observações


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